KR101896473B1

KR101896473B1 - 로봇 핸드의 제어 방법

Info

Publication number: KR101896473B1
Application number: KR1020120000845A
Authority: KR
Inventors: 김지영; 이광규; 권영도; 노경식
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2032-01-04
Also published as: US20130173055A1; CN103192398B; KR20130080104A; CN103192398A; US9545717B2

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 제어 방법은 마스터 장치를 이용하여 사용자의 손가락의 사전 자세(pre-shape)를 인식하는 단계, 상기 인식한 사전 자세에 따라 로봇 핸드의 형태를 변화시키는 단계, 상기 마스터 장치를 이용하여 상기 사용자의 손가락의 파지 동작을 인식하는 단계, 및 상기 인식한 사전 자세에 대응되는 파지 자세에 따라 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

로봇 핸드의 제어 방법 {METHOD FOR CONTROLLING ROBOT HAND}

본 발명은 사용자가 조종하는 마스터 장치에 의해서 사용자가 목적하는 동작을 재현하는 로봇 핸드의 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 로봇 장치는 목적하는 동작 및 작업을 자동으로 수행하는 기계 장치를 의미한다. 최근에는 매니퓨레이터(manipulator) 로봇이 등장하여, 사용자가 로봇 핸드에 해당하는 말단부(end effector)를 조종하면서 다양한 동작 및 작업을 수행할 수 있다. 이 때, 로봇 핸드는 인체의 손과 유사한 형태로서 엄지 손가락과 나머지 손가락들로 구성될 수 있다. 그리고, 로봇 핸드는 사전에 프로그램된 대로 동작을 수행하거나, 저장된 알고리즘에 의해서 자율적으로 제어될 수 있지만, 원격지의 사용자가 조종하는 마스터 장치에 의해 제어되어, 사용자가 목적하는 동작을 재현하면서 작업을 수행할 수도 있다.

한편, 로봇 핸드는 인체의 손과 유사한 형태가 아니더라도, 물체를 효과적으로 파지하기 위해서 한 쌍 이상의 대향하는 손가락들로 구성되는 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 이와 같은 경우 로봇 핸드의 동작은 인체의 손(손가락, 또는 손바닥)의 동작과 비유사하므로, 인체의 손가락의 관절의 각도, 또는 손가락 끝단의 위치 변화를 로봇 핸드에 매핑(mapping)하는 것으로는 인체의 손의 다양한 동작을 재현할 수 없다.

본 발명의 일 측면은 사용자의 사전 자세를 인식하여 로봇 핸드의 형태를 변화시키고, 사용자의 파지 동작을 인식하여 목적하는 파지 자세에 따라 로봇 핸드로 물체를 파지하는 로봇 핸드의 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 제어 방법은 마스터 장치를 이용하여 사용자의 손가락의 사전 자세를 인식하는 단계, 상기 인식한 사전 자세에 따라 로봇 핸드의 형태를 변화시키는 단계, 상기 마스터 장치를 이용하여 상기 사용자의 손가락의 파지 동작을 인식하는 단계, 및 상기 인식한 사전 자세에 대응되는 파지 자세에 따라 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 로봇 핸드의 형태를 변화시키는 단계는 상기 로봇 핸드의 내전 운동 및 외전 운동하는 관절의 형태를 변화시킨다.

또한, 상기 로봇 핸드의 형태를 변화시키는 단계는 상기 로봇 핸드의 내전 운동 및 외전 운동하는 관절의 형태를 변화시킨 후 일정한 강성으로 고정한다.

또한, 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계는 상기 인식한 파지 동작에서 상기 사용자의 엄지 손가락의 끝단과 나머지 손가락의 끝단 사이의 거리를 상기 물체의 너비로 추정하고, 상기 사용자의 손바닥으로부터 파지하는 손가락 끝단까지의 평균 거리를 손바닥으로부터 상기 물체의 높이로 추정할 수 있다.

또한, 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계는 상기 물체의 너비에 따라 상기 로봇 핸드의 대향하는 손가락 끝단 사이의 거리를 조절하고, 상기 손바닥으로부터 물체의 높이에 따라 상기 로봇 핸드의 베이스로부터 손가락 끝단까지의 거리를 조절할 수 있다.

또한, 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계는 상기 인식한 파지 동작에서 상기 사용자의 손가락의 관절의 각도에 따라 상기 로봇 핸드의 손가락의 관절의 각도를 조절할 수 있다.

또한, 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계는 상기 사용자의 나머지 손가락의 관절의 각도에 따라 상기 로봇 핸드의 대향하는 손가락 중 일측 손가락을 구부리고, 상기 사용자의 엄지 손가락의 관절의 각도에 따라 상기 로봇 핸드의 대향하는 손가락 중 타측 손가락을 상기 일측 손가락을 감싸면서 구부릴 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 제어 방법은 마스터 장치를 이용하여 사용자의 손가락의 사전 자세를 인식하는 단계, 상기 인식한 사전 자세에서 상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 판단하는 단계, 상기 인식한 사전 자세에 따라 로봇 핸드의 형태를 변화시키는 단계, 상기 마스터 장치를 이용하여 상기 사용자의 손가락의 파지 동작을 인식하는 단계, 및 상기 사용자가 목적하는 파지 자세에 따라 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 판단하는 단계는 상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 핀치 그립 또는 파워 그립 중 하나로 판단할 수 있다.

또한, 상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 판단하는 단계는 상기 인식한 사전 자세에서 상기 사용자의 손가락의 근위지 관절이 기준 각도 이상으로 구부러져 있으면 상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 파워 그립으로 판단할 수 있다.

또한, 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계는 상기 로봇 핸드의 사전 자세와 상기 로봇 핸드의 파워 그립 사이를 보간하여 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행한다.

또한, 상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 판단하는 단계는 상기 인식한 파지 동작에서 상기 사용자의 손가락의 근위지 관절이 기준 각도 이하로 펴져 있으면 상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 핀치 그립으로 판단할 수 있다.

또한, 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계는 상기 로봇 핸드의 사전 자세와 상기 로봇 핸드의 핀치 그립 사이를 보간하여 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행한다.

한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 제어 방법은 마스터 장치를 이용하여 사용자의 손가락의 사전 자세를 인식하는 단계, 상기 인식한 사전 자세에 대응되도록 상기 로봇 핸드의 사전 자세를 저장하는 단계, 상기 마스터 장치를 이용하여 사용자의 손가락의 파지 자세를 인식하는 단계, 상기 인식한 파지 자세에 대응되도록 상기 로봇 핸드의 파지 자세를 저장하는 단계, 및 상기 로봇 핸드의 사전 자세와 상기 로봇 핸드의 파지 자세 사이를 보간하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 로봇 핸드의 사전 자세와 상기 로봇 핸드의 파지 자세 사이를 보간하는 단계는 상기 로봇 핸드의 손가락의 관절의 각도를 보간한다.

또한, 상기 로봇 핸드의 사전 자세와 상기 로봇 핸드의 파지 자세 사이를 보간하는 단계는 상기 로봇 핸드의 손가락 끝단의 위치를 보간한다.

한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 제어 방법은 마스터 장치를 이용하여 사용자의 손가락의 사전 자세를 인식하는 단계, 상기 인식한 사전 자세에 따라 로봇 핸드의 형태를 변화시키는 단계, 및 상기 인식한 사전 자세에서 상기 사용자의 손가락의 관절의 각도의 변화량이 기준 변화량보다 작은 경우 상기 로봇 핸드의 형태를 유지하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 로봇 핸드의 형태를 유지하는 단계는 상기 사용자의 손가락의 내전 및 외전하는 관절의 각도의 변화량이 기준 변화량보다 작은 경우 상기 로봇 핸드의 내전 운동 및 외전 운동하는 관절의 형태를 유지한다.

본 발명의 일 측면에 의하면 사용자의 사전 자세를 인식하여 로봇 핸드의 형태를 변화시키므로, 로봇 핸드의 형태가 인체의 손의 형태와 비유사한 경우에도 사용자가 마스터 장치를 이용하여 용이하게 물체를 파지할 수 있다. 또한, 물체의 종류에 따라 로봇 핸드의 형태를 변화시킬 수 있으므로, 로봇 핸드와 물체가 접촉하는 면적을 최대한으로 확보하면서 효과적으로 물체를 파지할 수 있다. 또한, 사용자의 파지 동작을 인식하여 목적하는 파지 자세에 따라 로봇 핸드의 파지 경로를 보간하면서 파지 동작을 수행하므로, 사용자의 손가락의 관절의 각도, 손가락 끝단의 위치 등을 로봇 핸드에 일대일로 매핑하지 않아도 로봇 핸드로 물체를 자연스럽게 파지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 로봇 장치의 제어 방법을 개략적으로 도시하는 도면
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스터 핸드의 구조를 개략적으로 도시하는 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 구조를 개략적으로 도시하는 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도
도 5 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 사용자의 파지 방식을 개략적으로 도시하는 도면
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 변화 형태를 개략적으로 도시하는 도면
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 핀치 그립의 파지 동작을 개략적으로 도시하는 도면
도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 파워 그립의 파지 동작을 개략적으로 도시하는 도면
도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 제어 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도
도 17은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 제어 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도
도 18은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 제어 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 장치의 제어 방법을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 로봇 장치(1)는 마스터 장치(2)에 의해서 제어된다. 사용자가 마스터 장치(2)를 조종하여 마스터 장치(2)를 움직이면, 마스터 장치(2)는 사용자의 동작을 인식하게 된다. 그리고, 마스터 장치(2)가 인식한 사용자의 동작 정보가 로봇 장치(1)로 전송되고, 로봇 장치(1)는 사용자가 목적하는 동작을 수행하게 된다.

이를 위해, 마스터 장치(2)는 마스터 핸드(40), 마스터 암(50), 마스터 헤드부(60) 등으로 구성된다. 그리고, 로봇 장치(1)는 마스터 장치(2)에 대응하여 로봇 핸드(10), 로봇 암(20), 로봇 헤드부(30, head unit) 등으로 구성된다.

로봇 헤드부(30)의 하부에는 목 관절이 구비되고, 로봇 헤드부(30)의 전면에는 이미지 센서가 구비된다. 그리고, 로봇 장치(1)는 이미지 센서를 통해서 로봇 헤드부(30)의 전면의 영상을 획득한다. 한편, 마스터 헤드부(60)는 두부 장착형 디스플레이(head mounted display)를 구비하고, 사용자의 머리에 장착된다. 로봇 헤드부(30)는 마스터 헤드부(60)가 인식한 사용자의 머리의 동작에 따라 목 관절을 구동하여 사용자가 목적하는 동작을 수행한다. 그리고, 이미지 센서를 통해서 획득한 영상은 마스터 헤드부(60)에 전송되어 두부 장착형 디스플레이를 통해 사용자에게 표시된다.

로봇 핸드(10), 로봇 암(20)은 마스터 핸드(40), 마스터 암(50)이 인식한 사용자의 손(손가락, 손바닥 등), 팔의 동작에 따라 각각의 관절을 구동하여 사용자가 목적하는 동작을 수행한다. 일 예로 로봇 핸드(10)는 사용자의 손가락의 동작을 재현하여 물체를 파지할 수 있다.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 의한 마스터 핸드의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 2를 참조하면, 마스터 핸드(40)는 사용자의 손가락의 관절의 각도를 측정하기 위해서 장갑형 장치(41)로 구성될 수 있다. 장갑형 장치(41)의 외골격에는 액츄에이터(actuator) 구조물(42)이 형성되고, 액츄에이터를 통해서 사용자에게 힘 피드백(force feedback)이 가능하게 된다. 또한, 마스터 핸드(40)는 복수의 링크로 이루어지는 외골격 형태의 구조물로 구성될 수 있다. 이 경우 복수의 링크는 사용자의 손가락의 관절의 각도를 측정함과 동시에 사용자에게 힘 피드백을 전달한다.

한편, 마스터 핸드(40)는 상술한 구성에 한정되지 않고, 사용자의 손가락의 동작을 인식하면서, 액츄에이터를 통해서 사용자의 손에 힘 피드백을 전달할 수 있는 형태로 구성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 3을 참조하면, 로봇 핸드(10)는 회전 관절(17), 제1 지관절(15), 제2 지관절(16)을 포함하여 구성된다.

회전 관절(17)은 로봇 핸드(10)의 길이 방향을 축으로 하여 회동 가능하게 구비된다. 그리고, 회전 관절(17)은 인체의 손가락의 내전(adduction) 또는 외전(abduction) 운동하는 관절에 대응한다. 여기서, 내전 운동이란 인체의 손의 종단면을 기준으로 손가락을 벌리는 운동을 말하며, 외전 운동이란 내전 운동의 반대로 손가락을 모으는 운동을 말한다. 로봇 핸드(10)의 구조는 인체의 손의 형태와 비유사한 형태이지만, 회전 관절(17)을 회동함에 따라 각각의 손가락의 사이가 멀어지는 내전 운동, 및 각각의 손가락의 사이가 가까워지는 외전 운동을 수행할 수 있다.

제1 지관절(15), 제2 지관절(16)은 인체의 손가락의 원위지 관절, 중수지 관절, 근위지 관절 등에 대응한다. 따라서, 제1 지관절(15), 제2 지관절(16)을 통해 손가락을 구부리는 굴곡 운동, 및 손가락을 펴는 신전 운동을 수행할 수 있다.

이에 따라, 로봇 핸드(10)는 대향하는 손가락의 끝면(18)으로 물건을 집는 핀치 그립과 손가락의 안쪽 면과 손바닥의 면으로 물체를 감싸 쥐는 파워 그립을 수행할 수 있다.

한편, 로봇 핸드(10)는 상술한 구성에 한정되지 않고, 인체의 손의 형태와 유사한 다자유도 형태로 구성되거나, 내전 운동 및 외전 운동을 수행하는 관절이 다양한 형태로 구성되어 인체의 손의 자세와 비유사한 자세로 운동할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.

도 4를 참조하면, 로봇 핸드(10)는 사용자의 동작 정보가 입력되는 입력부(11), 로봇 핸드(10)의 고정된 자세가 저장되는 저장부(12), 로봇 핸드(10)의 전반적인 동작을 제어하는 제어부(13), 로봇 핸드(10)의 각 관절을 구동하는 구동부(14)를 포함하여 구성된다.

입력부(11)는 마스터 핸드(40)와 유선, 또는 무선으로 연결되고, 마스터 핸드(40)로부터 사용자의 동작 정보를 수신한다. 그리고, 입력부(11)는 수신한 사용자의 동작 정보를 제어부(13)로 전송한다.

저장부(12)는 데이터의 저장 공간을 구비하고, 로봇 핸드(10)의 사전 자세, 파지 자세 등을 저장한다.

제어부(13)는 입력부(11)를 통해 수신한 사용자의 동작 정보에 따라 사용자의 자세를 판단한다. 제어부(13)는 마스터 핸드(40)를 이용하여 인식한 사용자의 사전 자세에 따라 로봇 핸드(10)의 형태를 변화시킨다. 또한, 제어부(13)는 사용자의 사전 자세에서 사용자의 손가락의 관절의 각도 변화량이 기준 변화량 이상인지 판단하여 로봇 핸드(10)의 형태를 다시 변화시키거나 로봇 핸드(10)의 형태를 유지한다. 또한, 제어부(13)는 사용자의 사전 자세에서 사용자의 손가락의 관절의 각도가 기준 각도 이상인지 판단하여 사용자가 목적하는 파지 자세를 판단한다. 그리고, 제어부(13)는 마스터 핸드(40)를 이용하여 인식한 사용자의 파지 동작에 따라 로봇 핸드(10)의 파지 경로를 보간(interpolation)하면서 로봇 핸드(10)로 물체를 파지한다.

도 5 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 사용자의 파지 방식을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 5 내지 도 9를 참조하면, 사용자가 물체를 파지하는 방식은 크게 손가락의 끝면으로 물체를 집는 핀치 그립과 손가락의 안쪽 면과 손바닥의 면으로 물체를 감싸 쥐는 파워 그립으로 나뉜다.

도 5를 참조하면, 일반형 핀치 그립은 사용자의 엄지 손가락과 나머지 손가락의 끝단이 대향하도록 손가락을 구부려서 물체의 평행한 양 면을 파지하는 방식이다.

그리고, 도 6을 참조하면, 환형 핀치 그립은 사용자의 엄지 손가락과 나머지 손가락의 끝단이 가상의 원주나 구면 상에 위치하도록 각각의 손가락을 벌려서 물체의 3면 이상을 파지하는 방식이다.

그리고, 도 7을 참조하면, 원통형 파워 그립은 엄지 손가락과 나머지 손가락의 안쪽 면이 대향하도록 손가락을 구부리고, 나머지 손가락을 모두 모아서 원통형 물체를 감싸 쥐는 방식이다.

그리고, 도 8을 참조하면, 막대형 파워 그립은 원통형 파워 그립과 유사하지만, 원통형 물체 중에서도 지름이 작은 물체, 또는 막대형 물체를 감싸 쥐기 위해서, 사용자의 엄지 손가락의 외전 운동을 작은 각도로 수행하고, 사용자의 엄지 손가락이 나머지 손가락을 감싸면서 물체를 감싸 쥐는 방식이다.

그리고, 도 9를 참조하면, 구형 파워 그립은 환형 핀치 그립과 유사하게 사용자의 엄지 손가락과 나머지 손가락의 안쪽 면이 가상의 원주나 구면 상에 위치하도록 각각의 손가락을 벌려서 구형 물체를 감싸 쥐는 방식이다.

한편, 사용자가 물체를 파지하는 각각의 방식에는 도 5 내지 도 9에 도시된 바와 같이 물체를 파지하기 전 자세로서 사전 자세와 물체를 파지한 후 자세로서 파지 자세가 순차적으로 존재한다. 따라서, 로봇 핸드(10)의 경우에도 물체를 파지하기 전 사전 자세와 물체를 파지 한 후 파지 자세가 존재하며, 이 때 로봇 핸드(10)는 사용자의 파지 자세와 유사한 자세로 물건을 파지하거나, 사용자의 파지 자세와 비유사한 자세로 물건을 파지할 수 있다.

도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드(10)의 변화 형태를 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 10 내지 도 13을 참조하면, 로봇 핸드(10)의 변화 형태는 회전 관절(17), 제1 지관절(15), 제2 지관절(16)의 동작에 따라 다양하게 변화될 수 있다.

도 10을 참조하면, 로봇 핸드(10)의 제1 형태는 모든 손가락을 모아서 위치한 형태이다. 로봇 핸드(10)의 제1 형태는 사용자의 엄지 손가락이 검지 손가락과 모아지도록 엄지 손가락을 내전 운동하고, 모든 손가락이 나란하게 펴져 있는 사전 자세와 대응된다.

그리고, 도 11을 참조하면, 로봇 핸드(10)의 제2 형태는 하나의 손가락이 나머지 손가락과 대향하도록 반대편으로 이동하여 위치한 형태이다. 로봇 핸드(10)의 제2 형태는 사용자의 엄지 손가락의 끝단이 검지 손가락의 끝단과 대향하도록 엄지 손가락을 외전 운동하고, 나머지 손가락을 구부려서 접어둔 사전 자세와 대응된다.

그리고, 도 12를 참조하면, 로봇 핸드(10)의 제3 형태는 복수의 손가락이 쌍을 이루어 대향하도록 두 손가락을 반대편으로 이동하여 위치한 형태이다. 로봇 핸드(10)의 제3 형태는 사용자의 엄지 손가락의 끝단이 검지 손가락과 중지 손가락의 끝단과 대향하도록 엄지 손가락을 외전 운동하고, 나머지 손가락은 모두 모아지도록 내전 운동한 사전 자세와 대응된다.

그리고, 도 13을 참조하면, 로봇 핸드(10)의 제4 형태는 각각의 손가락 사이가 동일한 각도로 멀어지도록 각각의 손가락이 회동하여 이동하고, 각각의 손가락의 끝단이 가상의 원주상에 위치한 형태이다. 로봇 핸드(10)의 제4 형태는 사용자의 엄지 손가락의 끝단이 검지 손가락과 중지 손가락의 끝단과 대향하도록 엄지 손가락을 외전 운동하고, 나머지 손가락도 모두 벌어지도록 외전 운동한 사전 자세와 대응된다.

한편, 로봇 핸드(10)는 각각의 변화 형태에 따라, 사용자가 물체를 파지하는 방식과 대응하여 손가락의 끝단이 평행하도록 내전 운동하여 손가락의 끝면으로 물체를 집으면서 파지하거나, 손가락을 구부려서 손가락의 안쪽 면과 손바닥의 면으로 물체를 감싸 쥐면서 파지할 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드(10)의 핀치 그립의 파지 동작을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 14를 참조하면, 핀치 그립은 사용자가 직접 물체를 파지하지 않더라도 사용자의 손가락의 끝단의 위치로부터 물체의 크기 등을 추정할 수 있다. 먼저, 마스터 핸드(40)를 이용하여 인식한 사용자의 손가락의 파지 동작에서 사용자의 엄지 손가락의 끝단과 나머지 손가락의 끝단 사이의 거리를 물체의 너비로 추정하고, 사용자의 손바닥으로부터 파지하는 손가락 끝단까지의 평균 거리를 손바닥으로부터 물체의 높이로 추정한다. 그리고, 물체의 너비에 따라 로봇 핸드(10)의 대향하는 손가락 끝단 사이의 거리(w)를 조절하고, 손바닥으로부터 물체의 높이에 따라 로봇 핸드(10)의 베이스(b)로부터 손가락 끝단까지의 거리(h)를 조절한다.

한편, 사용자의 손바닥으로부터 물체의 높이를 재현하여 로봇 핸드(10)로 물체를 파지하는 것보다 물체와 로봇 핸드(10)의 접촉면을 최대한 확보하는 것이 중요한 경우에는 로봇 핸드(10)의 대향하는 손가락 끝면(18)이 평행하도록 제한하여 조절할 수 있다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 파워 그립의 파지 동작을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 15를 참조하면, 파워 그립은 사용자의 손가락의 안쪽 면과 손바닥의 면으로 물체를 감싸 쥐는 것이므로, 사용자의 손가락의 끝단, 또는 끝면의 위치를 재현하는 것은 효과적이지 못하다. 인체의 파워 그립을 분석하면, 감싸 쥐고자 하는 물체의 너비에 따라 손가락의 관절의 각도가 증가하면서 손가락이 구부려진다. 이 때, 손바닥의 면으로 물체를 감싸 쥐게 되므로 물체의 위치는 로봇 핸드(10)와의 관계에서 상대적으로 고정된 것으로 가정할 수 있다. 따라서, 마스터 핸드(40)를 이용하여 인식한 사용자의 손가락의 관절의 각도에 따라 로봇 핸드(10)의 손가락의 관절의 각도(θ1, θ2, φ1, φ2)를 조절한다.

한편, 로봇 핸드(10)의 일부 손가락이 대향하여 위치한 형태에서 파워 그립을 하게 되면 복수의 손가락이 겹치게 될 수 있다. 이와 같은 경우에는 다음과 같이 로봇 핸드(10)를 제어하여 손가락이 충돌하지 않도록 한다. 먼저, 사용자의 나머지 손가락의 관절의 각도에 따라 로봇 핸드(10)의 대향하는 손가락 중 일측 손가락의 각도(θ1, θ2)를 조절하여 안쪽으로 구부리고, 다음으로 사용자의 엄지 손가락의 관절의 각도에 따라 로봇 핸드(10)의 대향하는 손가락 중 타측 손가락의 각도(φ1, φ2)를 조절하여 일측 손가락을 감싸면서 구부리도록 제어한다. 또한, 로봇 핸드(10)의 손가락이 충돌하는 상황을 미리 예측하여 사용자에게 충돌을 경고하고, 사용자는 그에 따라 로봇 핸드(10)를 조절하여 로봇 핸드(10)의 충돌을 방지할 수 있다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 제어 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.

도 16을 참조하면, 마스터 핸드(40)를 이용하여 사용자의 손가락의 사전 자세를 인식한다(71). 사용자의 손가락의 사전 자세는 네 가지 자세로 존재한다. 사용자의 손가락의 사전 자세는 일반형 핀치 그립을 위한 사전 자세, 막대형 파워 그립을 위한 사전 자세, 일반형 핀치 그립과 원통형 파워 그립이 가능한 사전 자세. 환형 핀치 그립과 구형 파워 그립이 가능한 사전 자세로 구별된다.

다음으로, 인식한 사용자의 손가락의 사전 자세에 대응되도록 로봇 핸드(10)의 사전 자세를 저장부(12)에 저장한다(72). 여기서, 로봇 핸드(10)의 사전 자세는 로봇 핸드(10)의 제1 형태 내지 제4 형태에 대응되며, 로봇 핸드(10)의 사전 자세는 각각의 로봇 핸드(10)의 변화 형태에서 제1 지관절(15), 및 제2 지관절(16)이 굴곡 운동 및 신전 운동을 수행하지 않은 기본 자세를 나타낸다.

사전 자세와 동일한 방식으로, 마스터 핸드(40)를 이용하여 사용자의 손가락의 파지 자세를 인식한다(73). 사용자의 손가락의 파지 자세는 다섯 가지로 존재하여 일반형 핀치 그립, 환형 핀치 그립, 원통형 파워 그립, 막대형 파워 그립, 구형 파워 그립으로 구별된다.

다음으로, 인식한 사용자의 손가락의 파지 자세에 대응되도록 로봇 핸드(10)의 파지 자세를 저장부(12)에 저장한다(74). 여기서, 로봇 핸드(10)의 파지 자세는 사용자의 손가락의 파지 자세에 대응하여 존재한다. 로봇 핸드(10)의 파지 자세는 로봇 핸드(10)의 사전 자세로부터 변화되는데, 막대형 파워 그립은 제1 형태에 적용되고, 일반형 핀치 그립은 제2 형태와 제3 형태에 적용되고, 원통형 파워 그립은 제3 형태에 적용되고, 환형 핀치 그립과 구형 파워 그립은 제4 형태에 적용된다.

이에 따라, 사용자의 손가락의 사전 자세와 로봇 핸드(10)의 사전 자세, 사용자의 손가락의 파지 자세와 로봇 핸드(10)의 파지 자세가 한 쌍을 이루어 저장된다.

그리고, 로봇 핸드(10)의 파지 경로를 보간하여 저장부(12)에 저장한다(75). 사용자의 사전 자세로부터 파지 자세에 이르는 파지 동작에는 복수의 구간이 존재한다. 한편, 로봇 핸드(10)의 사전 자세와 로봇 핸드(10)의 파지 자세는 로봇 핸드(10)의 손가락의 관절의 각도, 로봇 핸드(10)의 손가락 끝단의 위치 등과 함께 저장된다. 따라서, 로봇 핸드(10)의 사전 자세와 로봇 핸드(10)의 파지 자세 사이의 로봇 핸드(10)의 자세를 보간하는 경우, 로봇 핸드(10)의 파지 동작에서 로봇 핸드(10)의 손가락의 관절의 각도, 로봇 핸드(10)의 손가락 끝단의 위치 등의 파지 경로를 저장할 수 있다. 이에 따라, 마스터 핸드(40)를 이용하여 로봇 핸드(10)를 제어하는 경우, 로봇 핸드(10)는 미리 저장된 파지 경로에 따라 파지 동작을 수행할 수 있다.

한편, 로봇 핸드(10)의 파지 경로를 저장부(12)에 저장하지 않은 경우에도 로봇 핸드(10)의 사전 자세와 파지 자세가 저장부(12)에 저장되어 있다면, 실시간으로 로봇 핸드(10)의 사전 자세와 파지 자세 사이를 보간하면서 파지 경로에 따라 파지 동작을 수행할 수 있다.

도 17은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 로봇 핸드의 제어 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.

도 17을 참조하면, 마스터 핸드(40)를 이용하여 사용자의 손가락의 사전 자세를 인식한다(81). 이 때, 사용자의 손가락의 사전 자세는 로봇 핸드(10)의 변화 형태에 대응하여 네 가지 자세로 구별하여 인식된다. 사용자가 모든 손가락을 펴고, 엄지 손가락을 내전 운동하여 엄지 손가락이 검지 손가락과 모아져 있는 경우 막대형 파워 그립을 위한 사전 자세로 판단할 수 있다. 그리고, 사용자가 엄지 손가락을 외전 운동하여 엄지 손가락의 끝단과 검지 손가락의 끝단이 대향하고, 나머지 손가락을 굴곡 운동하여 안쪽으로 접어둔 경우 일반형 핀치 그립을 위한 사전 자세로 판단할 수 있다. 그리고, 사용자가 엄지 손가락을 외전 운동하여 엄지 손가락의 끝단과 검지 손가락 및 중지 손가락의 끝단이 대향하고, 나머지 손가락이 모아져 있는 경우 일반형 핀치 그립, 또는 원통형 파워 그립을 위한 사전 자세로 판단할 수 있다. 그리고, 사용자가 엄지 손가락을 외전 운동하여 엄지 손가락의 끝단이 검지 손가락 및 중지 손가락의 끝단이 대향하고, 나머지 손가락이 벌어져 있는 경우 환형 핀치 그립 또는 구형 파워 그립을 위한 사전 자세로 판단할 수 있다.

다음으로, 인식한 사용자의 손가락의 사전 자세에 따라 로봇 핸드(10)의 형태를 변화시킨다(82). 저장부(12)에 저장된 로봇 핸드(10)의 사전 자세로부터 사용자의 손가락의 사전 자세와 대응되는 사전 자세를 판단하고, 판단한 로봇 핸드(10)의 사전 자세와 대응되도록 로봇 핸드(10)의 형태를 변화시킨다. 이에 따라, 막대형 파워 그립을 위한 사전 자세의 경우 로봇 핸드(10)의 제1 형태로 변화시키고, 일반형 핀치 그립을 위한 사전 자세의 경우 로봇 핸드(10)의 제2 형태로 변화시키고, 일반형 핀치 그립, 또는 원통형 파워 그립을 위한 사전 자세의 경우 로봇 핸드(10)의 제3 형태로 변화시키고, 환형 핀치 그립 또는 구형 파워 그립을 위한 사전 자세의 경우 로봇 핸드(10)의 제4 형태로 변화시킨다.

다음으로, 인식한 사용자의 손가락의 사전 자세에서 사용자의 손가락의 관절의 각도의 변화량이 기준 변화량보다 큰지 판단한다(83). 사용자의 손가락의 관절의 각도의 변화량이 기준 변화량보다 작은 경우 로봇 핸드(10)의 형태를 유지한다. 보다 상세하게, 사용자의 손가락의 내전 및 외전하는 관절의 각도의 변화량이 기준 변화량보다 작은 경우 로봇 핸드(10)의 내전 및 외전하는 회전 관절(17)의 형태를 유지한다. 이 때, 로봇 핸드(10)의 내전 및 외전하는 회전 관절(17)에는 일정한 강성을 갖도록 일정한 힘이 작용하며, 이에 따라 로봇 핸드(10)의 회전 관절(17)이 내전 운동 및 외전 운동을 하지 않도록 고정된다. 한편, 사용자의 손가락의 관절의 각도의 변화량이 기준 변화량보다 큰 경우 사용자의 사전 자세와 대응되도록 로봇 핸드(10)의 형태를 다시 변화시킨다.

다음으로, 마스터 핸드(40)를 이용하여 사용자의 손가락의 파지 동작을 인식한다(84). 사용자의 손가락의 파지 동작은 사용자의 손가락의 파지 경로에 따라 복수의 구간이 존재한다. 또한, 로봇 핸드(10)의 파지 경로는 로봇 핸드(10)의 사전 자세와 파지 자세 사이를 보간하여 저장부(12)에 미리 저장되거나, 사용자의 손가락의 파지 경로에 따라 실시간으로 로봇 핸드(10)의 사전 자세와 파지 자세 사이를 보간하면서 생성될 수 있다. 따라서, 사용자의 손가락의 파지 동작을 인식하고, 로봇 핸드(10)의 파지 경로 상에서 그 구간에 해당하는 로봇 핸드(10)의 자세를 판단할 수 있다.

다음으로, 사용자의 손가락의 사전 자세에 대응되는 파지 자세에 따라 로봇 핸드(10)의 파지 동작을 수행한다(85). 여기서, 파지 자세는 막대형 파워 그립, 또는 일반형 핀치 그립일 수 있다. 로봇 핸드(10)의 사전 자세로부터 로봇 핸드(10)의 파지 자세에 이르는 파지 경로를 따라 로봇 핸드(10)의 자세를 조절한다. 여기서, 로봇 핸드(10)의 자세는 사용자의 손가락의 자세에 따라 실시간으로 조절될 수 있다. 도 18은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 로봇 핸드(10)의 제어 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.

도 18을 참조하면, 마스터 핸드를 이용하여 사용자의 손가락의 사전 자세를 인식한다(91).

다음으로, 인식한 사용자의 손가락의 사전 자세에서 사용자가 목적하는 파지 자세를 판단한다(92). 사용자의 손가락의 사전 자세가 핀치 그립, 또는 파워 그립이 가능한 경우 사용자가 목적하는 파지 자세를 핀치 그립 또는 파워 그립 중 하나로 판단할 수 있다. 사용자의 손가락의 사전 자세에서 사용자의 손가락의 근위지 관절이 기준 각도 이상으로 구부러져 있으면 사용자가 목적하는 파지 자세를 파워 그립으로 판단할 수 있다. 또한, 사용자의 손가락의 사전 자세에서 사용자의 손가락의 근위지 관절이 기준 각도 이하로 펴져 있으면 사용자가 목적하는 파지 자세를 핀치 그립으로 판단할 수 있다.

다음으로, 인식한 사용자의 손가락의 사전 자세에 따라 로봇 핸드(10)의 형태를 변화시킨다(93). 다음으로, 인식한 사용자의 손가락의 사전 자세에서 사용자의 손가락의 관절의 각도의 변화량이 기준 변화량보다 큰지 판단한다(94). 사용자의 손가락의 관절의 각도의 변화량이 기준 변화량보다 작은 경우 로봇 핸드(10)의 형태를 유지한다. 한편, 사용자의 손가락의 관절의 각도의 변화량이 기준 변화량보다 큰 경우 사용자의 사전 자세와 대응되도록 로봇 핸드(10)의 형태를 다시 변화시킨다.

다음으로, 마스터 핸드(40)를 이용하여 사용자의 손가락의 파지 동작을 인식한다(95). 다음으로, 사용자가 목적하는 파지 자세에 따라 로봇 핸드(10)의 파지 동작을 수행한다(96). 로봇 핸드(10)의 사전 자세로부터 로봇 핸드(10)의 파지 자세에 이르는 파지 경로를 따라 로봇 핸드(10)의 자세를 조절한다. 로봇 핸드(10)의 자세는 사용자의 손가락의 자세에 따라 실시간으로 조절될 수 있다.여기서, 사용자가 목적하는 파지 자세를 파워 그립으로 판단한 경우 로봇 핸드(10)의 사전 자세와 로봇 핸드(10)의 파워 그립 사이를 보간하여 파지 경로를 생성하고, 생성된 파지 경로에 따라 로봇 핸드(10)의 파지 동작을 수행한다. 또한, 사용자가 목적하는 파지 자세를 피치 그립으로 판단한 경우 로봇 핸드(10)의 사전 자세와 로봇 핸드(10)의 피치 그립 사이를 보간하여 파지 경로를 생성하고, 생성된 파지 경로에 따라 로봇 핸드(10)의 파지 동작을 수행한다.

11: 입력부 12: 저장부
13: 제어부 14: 구동부
15: 제1 지관절(15) 16: 제2 지관절
17: 회전 관절

Claims

마스터 장치를 이용하여 사용자의 손가락의 복수의 사전 자세들 중 하나를 인식하는 단계;
상기 사용자의 손가락의 상기 인식된 사전 자세에 대응하는 로봇 핸드의 사전 자세를 판단하고, 상기 로봇 핸드의 상기 판단된 사전 자세에 대응하도록 상기 로봇 핸드의 형태를 변화시키는 단계;
상기 마스터 장치를 이용하여 상기 사용자의 손가락의 파지 동작을 인식하는 단계; 및
상기 사용자의 손가락의 상기 인식된 사전 자세에 대응하는 파지 자세에 따라 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계를 포함하는 로봇 핸드의 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 로봇 핸드의 형태를 변화시키는 단계는 상기 로봇 핸드의 내전 운동 및 외전 운동하는 관절의 형태를 변화시키는 로봇 핸드의 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 로봇 핸드의 형태를 변화시키는 단계는 상기 로봇 핸드의 내전 운동 및 외전 운동하는 관절의 형태를 변화시킨 후 일정한 강성으로 고정하는 로봇 핸드의 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계는 상기 인식된 파지 동작에서 상기 사용자의 엄지 손가락의 끝단과 나머지 손가락의 끝단 사이의 거리를 물체의 너비로 추정하고, 상기 사용자의 손바닥으로부터 파지하는 손가락 끝단까지의 평균 거리를 상기 손바닥으로부터 상기 물체의 높이로 추정하는 로봇 핸드의 제어 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계는 상기 물체의 너비에 따라 상기 로봇 핸드의 대향하는 손가락 끝단 사이의 거리를 조절하고, 상기 손바닥으로부터 상기 물체의 높이에 따라 상기 로봇 핸드의 베이스로부터 손가락 끝단까지의 거리를 조절하는 로봇 핸드의 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계는 상기 인식된 파지 동작에서 상기 사용자의 손가락의 관절의 각도에 따라 상기 로봇 핸드의 손가락의 관절의 각도를 조절하는 로봇 핸드의 제어 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계는 상기 사용자의 나머지 손가락의 관절의 각도에 따라 상기 로봇 핸드의 대향하는 손가락 중 일측 손가락을 구부리고, 상기 사용자의 엄지 손가락의 관절의 각도에 따라 상기 로봇 핸드의 대향하는 손가락 중 타측 손가락을 상기 일측 손가락을 감싸면서 구부리는 로봇 핸드의 제어 방법.
마스터 장치를 이용하여 사용자의 손가락의 복수의 사전 자세들 중 하나를 인식하는 단계;
상기 사용자의 손가락의 상기 인식된 사전 자세에 대응하는 로봇 핸드의 사전 자세 및 상기 사용자의 손가락의 상기 인식된 사전 자세로부터 상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 판단하는 단계;
상기 로봇 핸드의 상기 판단된 사전 자세에 대응하도록 상기 로봇 핸드의 형태를 변화시키는 단계;
상기 마스터 장치를 이용하여 상기 사용자의 손가락의 파지 동작을 인식하는 단계; 및
상기 사용자가 목적하는 상기 판단된 파지 자세에 따라 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계를 포함하는 로봇 핸드의 제어 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 로봇 핸드의 형태를 변화시키는 단계는 상기 로봇 핸드의 내전 운동 및 외전 운동하는 관절의 형태를 변화시키는 로봇 핸드의 제어 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 판단하는 단계는 상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 핀치 그립 및 파워 그립 중 하나로 판단하는 로봇 핸드의 제어 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 판단하는 단계는 상기 인식된 사전 자세에서 상기 사용자의 손가락의 근위지 관절이 기준 각도 이상으로 구부러져 있으면 상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 상기 파워 그립으로 판단하는 로봇 핸드의 제어 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계는 상기 로봇 핸드의 사전 자세와 상기 로봇 핸드의 파워 그립 사이를 보간하여 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 로봇 핸드의 제어 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 판단하는 단계는 상기 인식된 사전 자세에서 상기 사용자의 손가락의 근위지 관절이 기준 각도 이하로 펴져 있으면 상기 사용자가 목적하는 파지 자세를 상기 핀치 그립으로 판단하는 로봇 핸드의 제어 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 단계는 상기 로봇 핸드의 사전 자세와 상기 로봇 핸드의 핀치 그립 사이를 보간하여 상기 로봇 핸드의 파지 동작을 수행하는 로봇 핸드의 제어 방법.
삭제
삭제
삭제
마스터 장치를 이용하여 사용자의 손가락의 복수의 사전 자세들 중 하나를 인식하는 단계;
상기 사용자의 손가락의 상기 인식된 사전 자세에 대응하는 로봇 핸드의 사전 자세를 판단하고, 상기 로봇 핸드의 상기 판단된 사전 자세에 대응하도록 상기 로봇 핸드의 형태를 변화시키는 단계; 및
상기 사용자의 손가락의 상기 인식된 사전 자세에서 상기 사용자의 손가락의 관절의 각도의 변화량이 기준 변화량보다 작은 경우 상기 로봇 핸드의 형태를 유지하는 단계를 포함하는 로봇 핸드의 제어 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 로봇 핸드의 형태를 유지하는 단계는 상기 사용자의 손가락의 내전 및 외전하는 관절의 각도의 변화량이 상기 기준 변화량보다 작은 경우 상기 로봇 핸드의 내전 운동 및 외전 운동하는 관절의 형태를 유지하는 로봇 핸드의 제어 방법.